C++類,繼承,多態(tài)的深入分析

1、C+對象模型在內(nèi)存中的實現(xiàn) -基于微軟VC+分析（Visual Studio 2010）jhanker（蔣李軍） jhanker 2016-04-26相關C+對象模型深入了解的文章在互聯(lián)網(wǎng)上有很多版本。要么排版不清晰，要么缺少圖示，嚴重的影響閱讀效果！現(xiàn)對每一段代碼的圖示都增加了VC+2010環(huán)境下編譯器輸出的類的對象模型圖（文中黑色背景的圖），通過對網(wǎng)上一些有用的相關資料的整合，讓讀者能更加直觀理解其本質(zhì)。本文的篇幅較長，但還是希望您能慢慢的品讀，如果有不理解的地方可以先看后面的附錄，閱讀的過程中可以邊閱讀邊調(diào)試附錄中的調(diào)試代碼，相信通過仔細的調(diào)試，分析，理解，您將會對C+有更深層次的理解！

2、 一個C+程序員，想要進一步提升技術水平的話，應該多了解一些語言的細節(jié)。對于使用VC+的程序員來說，還應該了解一些VC+對于C+的詮釋。本文是深入理解C+對象模型比較好的一個出發(fā)點。了解你所使用的編程語言究竟是如何實現(xiàn)的，對于C+程序員可能特別有意義。首先，它可以去除我們對于所使用語言的神秘感，使我們不至于對于編譯器干的活感到完全不可思議；尤其重要的是，它使我們在Debug和使用語言高級特性的時候，有更多的把握。當需要提高代碼效率的時候，這些知識也能夠很好地幫助我們。 對每個語言特性，我們將簡要介紹該特性背后的動機，當然，本文決不是”C+入門”，大家對此要有充分認識，以及該特性在微軟的 VC+

3、中是如何實現(xiàn)的。這里要注意區(qū)分抽象的C+語言與其特定實現(xiàn)。微軟之外的其他C+廠商可能提供一個完全不同的實現(xiàn)，我們偶爾也會將 VC+的實現(xiàn)與其他實現(xiàn)進行比較。 首先，我們順次考察類，單繼承，多重繼承，以及虛繼承的布局； 接著，我們講成員變量和成員函數(shù)的訪問已經(jīng)訪問時的開銷情況，當然，這里面包含虛函數(shù)的情況；再接下來，我們考察構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)，以及特殊的賦值操作符成員函數(shù)是如何工作的，數(shù)組是如何動態(tài)構(gòu)造和銷毀的；最后，簡單地介紹對異常處理的支持。 1、類（class）布局 本節(jié)討論不同的繼承方式造成的不同內(nèi)存布局。 1.1 類的存儲結(jié)構(gòu) 由于C+基于C，所以C+也”基本上”兼容C。特別地，C+規(guī)

4、范在”類”上使用了和C”結(jié)構(gòu)”相同的，簡單的內(nèi)存布局原則：成員變量按其被聲明的順序排列，按具體實現(xiàn)所規(guī)定的對齊原則在內(nèi)存地址上對齊。所有的C/C+廠商都保證他們的C/C+編譯器對于有效的C結(jié)構(gòu)采用完全相同的布局。這里，A是一個簡單的類，其成員布局和對齊方式都一目了然1 classA2 public:3 charc;4 inti;5 ;（圖1）從上圖(左)可見，A在內(nèi)存中占有8個字節(jié)，按照聲明成員的順序，前4個字節(jié)包含一個字符（實際占用1個字節(jié)，3個字節(jié)空著，補對齊），后4個字節(jié)包含一個整數(shù)。A的指針就指向字符開始字節(jié)處。上圖(右)為Visual Studio 2010 編譯后在輸出窗口中顯示的

5、內(nèi)存分布情況。(項目屬性配置屬性C/C+命令行其他選項中添加選項”/d1reportAllClassLayout”。再次編譯時候，編譯器會輸出所有定義類的對象模型。由于輸出的信息過多，我們可以使用”Ctrl+F”查找命令，找到對象模型的輸出。)需要說明的是右圖的 0 ,4 是相對字符開始地址的偏移地址。當然了，C+不是復雜的C，C+本質(zhì)上是面向?qū)ο蟮恼Z言：包含 繼承、封裝，以及多態(tài) 。原始的C結(jié)構(gòu)經(jīng)過改造，成了面向?qū)ο笫澜绲幕悺３顺蓡T變量外，C+類還可以封裝成員函數(shù)和其他東西。然而，有趣的是，除非為了實現(xiàn)虛函數(shù)和虛繼承引入的隱藏成員變量外，C+類實例的大小完全取決于一個類及其基類的成員變

6、量！成員函數(shù)基本上不影響類實例的大小。這里提供的B是有更多C+特征的類：控制成員可見性的”public/protected/private”關鍵字、成員函數(shù)、靜態(tài)成員，以及嵌套的類型聲明。雖然看著琳瑯滿目，實際上，只有成員變量才占用類實例的空間。有一點要注意的是，C+標準委員會不限制由”public/protected/private”關鍵字分開的各段在實現(xiàn)時的先后順序，因此，不同的編譯器實現(xiàn)的內(nèi)存布局可能并不相同。（ 在VC+中，成員變量總是按照聲明時的順序排列）。1 classB2 public:3intbm1;4protected:5intbm2;6private:7intbm3;8st

7、aticintbsm;9voidbf();10staticvoidbsf();11typedef void* bpv;12structN;13;struct B public: int bm1;protected: int bm2;private: int bm3; static int bsm; void bf(); static void bsf(); typedef void* bpv; struct N ; （圖2） B中，為何static int bsm不占用內(nèi)存空間？因為它是靜態(tài)成員，該數(shù)據(jù)存放在程序的靜態(tài)數(shù)據(jù)段中，不在類實例中。（相關內(nèi)存區(qū)域劃分知識，見附1.） 1.2 單繼承

8、C+ 提供繼承的目的是在不同的類型之間提取共性。比如，科學家對物種進行分類，從而有種、屬、綱等說法。有了這種層次結(jié)構(gòu)，我們才可能將某些具備特定性質(zhì)的東西歸入到最合適的分類層次上，如”懷孩子的是哺乳動物”。由于這些屬性可以被子類繼承，所以，我們只要知道”鯨魚、人”是哺乳動物，就可以方便地指出”鯨魚、人都可以懷孩子”。那些特例，如鴨嘴獸（生蛋的哺乳動物），則要求我們對缺省的屬性或行為進行覆蓋。C+中的繼承語法很簡單，在子類后加上”: public基類名（base）”就可以了。（附2. C+之繼承與派生）下面的D繼承自基類C。(本文全部的調(diào)試代碼見附4.) 1 classC /類C2 public:

9、3intc1; /類C的成員變量4voidcf(); /類C的成員函數(shù)5;struct C int c1; void cf(); （圖3）1 classD: public C /類D，繼承類C2 public:3intd1; /類D的成員變量4voiddf(); /類D的成員函數(shù)5;struct D : C int d1; void df(); （圖4） 既然派生類要保留基類的所有屬性和行為，自然地，每個派生類的實例都包含了一份完整的基類實例數(shù)據(jù)。在D中，并不是說基類C的數(shù)據(jù)一定要放在D的數(shù)據(jù)之前，只不過這樣放的話，能夠保證D中的C對象地址，恰好是D對象地址的第一個字節(jié)。這種安排之下，有了派生

10、類D的指針，要獲得基類C的指針，就不必要計算偏移量了。幾乎所有知名的C+廠商都采用這種內(nèi)存安排（基類成員在前）。在單繼承類層次下，每一個新的派生類都簡單地把自己的成員變量添加到基類的成員變量之后 ?？纯瓷蠄D，C對象指針和D對象指針指向同一地址。 ( 上圖(右)base class C, class D 的框架結(jié)構(gòu)的起始的上邊界”+-”重合形象的說明C對象指針和D對象指針指向同一地址)1.3 多重繼承 大多數(shù)情況下，其實單繼承就足夠了。但是，C+為了我們的方便，還提供了多重繼承。 比如，我們有一個組織模型，其中有經(jīng)理類（分任務），工人類（干活）。那么，對于一線經(jīng)理類，即既要從上級經(jīng)理那里領取任務

11、干活，又要向下級工人分任務，這樣的角色，如何在類層次中表達呢？單繼承在此就有點力不從心。我們可以安排經(jīng)理類先繼承工人類，一線經(jīng)理類再繼承經(jīng)理類，但這種層次結(jié)構(gòu)錯誤地讓經(jīng)理類繼承了工人類的屬性和行為。反之亦然。當然，一線經(jīng)理類也可以僅僅從一個類（經(jīng)理類或工人類）繼承，或者一個都不繼承，重新聲明一個或兩個接口（函數(shù)），但這樣的實現(xiàn)弊處太多：多態(tài)不可能了-未能重用現(xiàn)有的接口（函數(shù)）；最嚴重的是，當接口（函數(shù)）變化時，必須多處維護。最合理的情況似乎是一線經(jīng)理從兩個地方繼承屬性和行為經(jīng)理類、工人類。C+就允許用多重繼承來解決這樣的問題： 1classManager.; /經(jīng)理類2classWorker.

12、; /工人類3classMiddleManager:Manager,Worker.;/一線經(jīng)理類struct Manager . . ;struct Worker . . ;struct MiddleManager : Manager, Worker . ; 這樣的繼承將造成怎樣的類布局呢？下面我們還是用”字母”類來舉例： 1 classE 2 public:3inte1; 4voidef(); 5;（圖5）struct E int e1; void ef();1 classF: publicC, publicE 2 public:3intf1; 4voidff(); 5;（圖6）struct

13、 F : C, E int f1; void ff(); 類F從C和E多重繼承得來。與單繼承相同的是，F(xiàn)實例拷貝了每個基類的所有數(shù)據(jù)。與單繼承不同的是，在多重繼承下，內(nèi)嵌的兩個基類的對象指針不可能全都與派生類對象指針相同：1Ff; 2/(void*)&f=(void*)(C*)&f; /說明C對象指針與F對象指針相同3/(void*)&f(void*)(E*)&f;/說明E對象指針與F對象指針不同4 /且基類E的地址比子類F的地址數(shù)值大F f;/ (void*)&f = (void*)(C*)&f;/ (void*)&f c1;/*(pc+dCc1);C* pc;pc-c1; / *(pc +

14、 dCc1);訪問C的成員變量c1，只需要在pc上加上固定的偏移量dCc1（在類C的實例pc中，實例pc指針地址與其c1成員變量之間的偏移量值），再獲取該指針的內(nèi)容即可,內(nèi)存分布見圖3,此時的開銷和C語言一樣比較少。 2.2 單繼承由于派生類實例與其基類實例之間的偏移量是常數(shù)0，所以，可以直接利用基類指針和基類成員之間的偏移量關系，如此計算得以簡化。1D *pd; /D從C單繼承，pd為指向D的指針2pd-c1;/*(pd+dDC+dCc1);/*(pd+dDc1); 3pd-d1;/*(pd+dDd1);D* pd;pd-c1; / *(pd + dDC + dCc1); / *(pd +

15、dDc1);pd-d1; / *(pd + dDd1);a. 當訪問基類成員c1時，計算步驟本來應該為”pd+dDC+dCc1”，即為先計算D對象和C對象之間的偏移，再在此基礎上加上C對象指針與成員變量c1 之間的偏移量。然而，由于dDC恒定為0，所以直接計算C對象地址與c1之間的偏移就可以了。 b. 當訪問派生類成員d1時，直接計算偏移量。內(nèi)存分布見圖4,此時從上述的分析可知，開銷還是和C語言一樣比較少。 2.3 多重繼承雖然派生類與某個基類之間的偏移量可能不為0，然而，該偏移量總是一個常數(shù)。只要是個常數(shù)，訪問成員變量，計算成員變量偏移時的計算就可以被簡化?？梢娂词箤τ诙嘀乩^承來說，訪問成員

16、變量開銷仍然不大，內(nèi)存分布見圖6。1F*pf; /F繼承自C和E，pf是指向F對象的指針2pf-c1;/*(pf+dFC+dCc1);/*(pf+dFc1); 3pf-e1;/*(pf+dFE+dEe1);/*(pf+dFe1); 4pf-f1;/*(pf+dFf1);F* pf;pf-c1; / *(pf + dFC + dCc1); / *(pf + dFc1);pf-e1; / *(pf + dFE + dEe1); / *(pf + dFe1);pf-f1; / *(pf + dFf1);a. 訪問C類成員c1時，F(xiàn)對象與內(nèi)嵌C對象的相對偏移為0，可以直接計算F和c1的偏移； b. 訪

17、問E類成員e1時，F(xiàn)對象與內(nèi)嵌E對象的相對偏移是一個常數(shù)，F(xiàn)和e1之間的偏移計算也可以被簡化； c. 訪問F自己的成員f1時，直接計算偏移量。 2.4 虛繼承 當類有虛基類時，訪問非虛基類的成員仍然是計算固定偏移量的問題。然而，訪問虛基類的成員變量，開銷就增大了 ，因為必須經(jīng)過如下步驟才能獲得成員變量的地址：1. 獲取”虛基類表指針”；2. 獲取虛基類表中某一表項的內(nèi)容；3. 把內(nèi)容中指出的偏移量加到”虛基類表指針”的地址上。 然而，事情并非永遠如此。正如下面訪問I對象的c1成員那樣，如果不是通過指針訪問，而是直接通過對象實例，則派生類的布局可以在編譯期間靜態(tài)獲得，偏移量也可以在編譯時計算，因

18、此也就不必要根據(jù)虛基類表的表項來間接計算了。1I *pi; /pi是指向I對象的指針2pi-c1;/*(pi+dIGvbptr+(*(pi+dIGvbptr)1+dCc1); 3pi-g1;/*(pi+dIG+dGg1);/*(pi+dIg1); 4pi-h1;/*(pi+dIH+dHh1);/*(pi+dIh1); 5pi-i1;/*(pi+dIi1); 6Ii; 7i.c1;/*(&i+IdIC+dCc1);/*(&i+IdIc1);I* pi;pi-c1; / *(pi + dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1 + dCc1);pi-g1; / *(pi + dIG +

19、 dGg1); / *(pi + dIg1);pi-h1; / *(pi + dIH + dHh1); / *(pi + dIh1);pi-i1; / *(pi + dIi1);I i;i.c1; / *(&i + IdIC + dCc1); / *(&i + IdIc1);I繼承自G和H，G和H的虛基類是C，pi是指向I對象的指針,內(nèi)存分布見圖9。a. 訪問虛基類C的成員c1時，dIGvbptr是”在I中，I對象指針與G的”虛基類表指針”之間的偏移”，*(pi + dIGvbptr)是虛基類表的開始地址，*(pi + dIGvbptr)1是虛基類表的第二項的內(nèi)容-在I對象中，G對象的”虛基類

20、表指針”與虛基類之間的偏移，dCc1是C對象指針與成員變量c1之間的偏移； b. 訪問非虛基類G的成員g1時，直接計算偏移量； c. 訪問非虛基類H的成員h1時，直接計算偏移量； d. 訪問自身成員i1時，直接使用偏移量； e. 當聲明了一個對象實例，用點”.”操作符訪問虛基類成員c1時，由于編譯時就完全知道對象的布局情況，所以可以直接計算偏移量。 當訪問類繼承層次中，多層虛基類的成員變量時，情況又如何呢？比如，訪問虛基類的虛基類的成員變量時？一些實現(xiàn)方式為：保存一個指向直接虛基類的指針，然后就可以從直接虛基類找到它的虛基類，逐級上推。VC+優(yōu)化了這個過程。 VC+在虛基類表中增加了一些額外的

21、項，這些項保存了從派生類到其各層虛基類的偏移量。3、強制轉(zhuǎn)化 如果沒有虛基類的問題，將一個指針強制轉(zhuǎn)化為另一個類型的指針代價并不高昂。如果在要求轉(zhuǎn)化的兩個指針之間有”基類-派生類”關系，編譯器只需要簡單地在兩者之間加上或者減去一個偏移量即可（并且該量還往往為0）。1F *pf; 2(C*)pf;/(C*)(pf?pf+dFC:0);/(C*)pf; 3(E*)pf;/(E*)(pf?pf+dFE:0);F* pf;(C*)pf; / (C*)(pf ? pf + dFC : 0); / (C*)pf;(E*)pf; / (E*)(pf ? pf + dFE : 0);C和E是F的基類，內(nèi)存分布

22、見圖6，將F的指針pf轉(zhuǎn)化為C*或E*，只需要將pf加上一個相應的偏移量。轉(zhuǎn)化為C類型指針C*時，不需要計算，因為F和C之間的偏移量為 0。轉(zhuǎn)化為E類型指針E*時，必須在指針上加一個非0的偏移常量dFE。C+規(guī)范要求NULL指針在強制轉(zhuǎn)化后依然為NULL，（代碼的解釋中用了三目運算符 ？：”）因此在做強制轉(zhuǎn)化需要的運算之前，VC+會檢查指針是否為NULL。當然，這個檢查只有當指針被顯示或者隱式轉(zhuǎn)化為相關類型指針時才進行；當在派生類對象中調(diào)用基類的方法，派生類指針在后臺被轉(zhuǎn)化為一個基類的Const this” 指針時，這個檢查就不需要進行了，因為在此時，該指針一定不為NULL。正如你猜想的，當繼

23、承關系中存在虛基類時，強制轉(zhuǎn)化的開銷會比較大。具體說來，和訪問虛基類成員變量的開銷相當。1I*pi; 2(G*)pi;/(G*)pi; 3(H*)pi;/(H*)(pi?pi+dIH:0); 4(C*)pi;/(C*)(pi?(pi+dIGvbptr+(*(pi+dIGvbptr)1):0);I* pi;(G*)pi; / (G*)pi;(H*)pi; / (H*)(pi ? pi + dIH : 0);(C*)pi; / (C*)(pi ? (pi+dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1) : 0);pi是指向I對象的指針，G,H是I的基類，C是G,H的虛基類。（內(nèi)存分布見（

24、圖9）a. 強制轉(zhuǎn)化pi為G*時，由于G*和I*的地址相同，不需要計算； b. 強制轉(zhuǎn)化pi為H*時，只需要考慮一個常量偏移； c. 強制轉(zhuǎn)化pi為C*時，所作的計算和訪問虛基類成員變量的開銷相同，首先得到G的虛基類表指針，再從虛基類表的第二項中取出G到虛基類C的偏移量，最后根據(jù)pi、虛基類表偏移和虛基類C與虛基類表指針之間的偏移計算出C*。 一般說來，當從派生類中訪問虛基類成員時，應該先強制轉(zhuǎn)化派生類指針為虛基類指針，然后一直使用虛基類指針來訪問虛基類成員變量。這樣做，可以避免每次都要計算虛基類地址的開銷。見下例。 1 . pi-c1 . pi-c1 .2 C* pc = pi; . pc-

25、c1 . pc-c1 .前者一直使用派生類指針pi，故每次訪問c1都有計算虛基類地址的較大開銷；后者先將pi轉(zhuǎn)化為虛基類指針pc，故后續(xù)調(diào)用可以省去計算虛基類地址的開銷。4、成員函數(shù) 一個C+成員函數(shù)只是類范圍內(nèi)的又一個成員。X類每一個非靜態(tài)的成員函數(shù)都會接受一個特殊的隱藏參數(shù)this指針，類型為X* const。該指針在后臺初始化為指向成員函數(shù)工作于其上的對象。同樣，在成員函數(shù)體內(nèi)，成員變量的訪問是通過在后臺計算與this指針的偏移來進行。1 classP 2 public:3intp1; 4voidpf();/類P的非虛成員函數(shù)5virtualvoidpvf();/類P的虛成員函數(shù) 6;（

26、圖10）struct P int p1; void pf(); / new virtual void pvf(); / new;P有一個非虛成員函數(shù)pf()，以及一個虛成員函數(shù)pvf()(有關多態(tài)和虛函數(shù)的知識見附3. C+之多態(tài)性與虛函數(shù))。很明顯，虛成員函數(shù)的處理方法，在VC+ 中，與虛繼承的處理方式如出一轍，這樣同樣也造成對象實例占用了更多內(nèi)存空間，因為實例需增加一個隱藏的”虛函數(shù)表指針”（virtual function pointer 或 virtual function table pointer）成員變量，簡稱vfptr，從而達C+的多態(tài)目的。（注：可以讓成員函數(shù)操作一般化，用基

27、類的指針指向不同的派生類的對象時，基類指針調(diào)用其虛成員函數(shù)，則會調(diào)用其真正指向?qū)ο蟮某蓡T函數(shù)，而不是基類中定義的成員函數(shù)（只要派生類改寫了該成員函數(shù)）。若不是虛函數(shù)，則不管基類指針指向的哪個派生類對象，調(diào)用時都會調(diào)用基類中定義的那個函數(shù)）該變量指向一個全類共享的偏移量表-虛函數(shù)表（virtual function table ），簡稱vftable。這一點以后還會談到。這里要特別指出的是，聲明非虛成員函數(shù)不會造成任何對象實例的內(nèi)存開銷?，F(xiàn)在，考慮P:pf()的定義。1voidP:pf()/實際是：voidP:pf(P*constthis) 2+p1;/實際是：+(this-p1); 3void

28、 P:pf() / void P:pf(P *const this) +p1; / +(this-p1);這里P:pf()接受了一個隱藏的this指針參數(shù)，對于每個非靜態(tài)成員函數(shù)調(diào)用，編譯器都會自動加上這個this參數(shù)。同時，注意成員變量訪問也許比看起來要代價高昂一些，因為成員變量訪問通過this指針進行，在有的繼承層次下，this指針需要進行調(diào)整，所以訪問的開銷可能會比較大。然而，從另一方面來說，編譯器通常會把this指針緩存到寄存器中，所以，成員變量訪問的代價不會比訪問局部變量的效率更差。（在win32位編譯模式下訪問局部變量時，需要到EBP寄存器中得到棧指針，再加上局部變量與棧頂?shù)钠疲?/p>

29、局部變量與EBP寄存器值的偏移），所以訪問成員變量的過程將與訪問局部變量的開銷相似）。4.1 覆蓋成員函數(shù) 和成員變量一樣，成員函數(shù)也會被繼承。與成員變量不同的是，通過在派生類中重新定義基類函數(shù)，一個派生類可以覆蓋，或者說替換掉基類的函數(shù)定義。覆蓋是靜態(tài) （根據(jù)成員函數(shù)的靜態(tài)類型在編譯時決定）還是動態(tài) （通過對象指針在運行時動態(tài)決定），依賴于成員函數(shù)是否被聲明為”虛函數(shù)”。 Q從P繼承了成員變量和成員函數(shù)。Q聲明了pf()，覆蓋了P:pf()。Q還聲明了pvf()，覆蓋了P:pvf()虛函數(shù)。Q還聲明了新的非虛成員函數(shù)qf()，以及新的虛成員函數(shù)qvf()。1 classQ:public P

30、2 public:3intq1; 4voidpf();/覆蓋P:pf 5voidqf();/新建 6voidpvf();/覆蓋P:pvf 7virtualvoidqvf();/新建 8;struct Q : P int q1; void pf(); / overrides P:pf void qf(); / new void pvf(); / overrides P:pvf virtual void qvf(); / new;（圖11）請看下面對于非虛函數(shù)的調(diào)用：1Pp;P*pp=&p;Qq;P*ppq=&q;Q*pq=&q; 2pp-pf();/pp-P:pf();/P:pf(pp); 3p

31、pq-pf();/ppq-P:pf();/P:pf(P*)ppq); 4pq-pf();/pq-Q:pf();/Q:pf(pq);5pq-qf();/pq-Q:qf();/Q:qf(pq);對于非虛的成員函數(shù)來說，調(diào)用哪個成員函數(shù)是在編譯時，根據(jù)”-操作符左邊指針表達式的類型靜態(tài)決定的。特別地，即使ppq指向Q的實例，ppq-pf()仍然調(diào)用的是P:pf()，因為ppq被聲明為”P*”。（注意，此時”-操作符左邊的指針類型決定隱藏的this參數(shù)的類型。）請看下面對于虛函數(shù)的調(diào)用：1pp-pvf();/pp-P:pvf();/P:pvf(pp); 2ppq-pvf();/ppq-Q:pvf();

32、/Q:pvf(Q*)ppq); 3pq-pvf();/pq-Q:pvf();/Q:pvf(pq);對于虛函數(shù)調(diào)用來說，調(diào)用哪個成員函數(shù)在運行時 決定。不管”-操作符左邊的指針表達式的類型如何，調(diào)用的虛函數(shù)都是由指針實際指向的實例類型所決定。比如，盡管ppq的類型是P*，當ppq指向Q的實例時，調(diào)用的仍然是Q:pvf()。pp-pvf(); / pp-P:pvf(); / P:pvf(pp);ppq-pvf(); / ppq-Q:pvf(); / Q:pvf(Q*)ppq);pq-pvf(); / pq-Q:pvf(); / Q:pvf(P*)pq); （錯誤?。榱藢崿F(xiàn)這種機制，引入了隱藏的v

33、fptr 成員變量。 一個vfptr被加入到類中（如果類中沒有的話），該vfptr指向類的虛函數(shù)表（vftable）。類中每個虛函數(shù)在該類的虛函數(shù)表中都占據(jù)一項。每項保存一個對于該類適用的虛函數(shù)的地址。因此，調(diào)用虛函數(shù)的過程如下：取得實例的vfptr；通過vfptr得到虛函數(shù)表的一項；通過虛函數(shù)表該項的函數(shù)地址間接調(diào)用虛函數(shù)。也就是說，在普通函數(shù)調(diào)用的參數(shù)傳遞、調(diào)用、返回指令開銷外，虛函數(shù)調(diào)用還需要額外的開銷。 回頭再看看P和Q的內(nèi)存布局（見（圖10）（圖11），可以發(fā)現(xiàn)，VC+編譯器把隱藏的vfptr成員變量放在P和Q實例的開始處。這就使虛函數(shù)的調(diào)用能夠盡量快一些。實際上，VC+的實現(xiàn)方式是

34、，保證任何有虛函數(shù)的類的第一項永遠是vfptr。這就可能要求在實例布局時，在基類前插入新的vfptr，或者要求在多重繼承時，雖然在右邊，然而有vfptr的基類放到左邊沒有vfptr的基類的前面（如下）。1classCA 2public:inta; 3classCB 4public:intb; 5classCL:publicCB,publicCA 6public:intc;class CA int a;class CB int b;class CL : public CB, public CA int c;對于CL類，它的內(nèi)存布局是：（圖12）但是，改造CA如下：1classCA 2 3 pub

35、lic:4inta; 5virtualvoidseta(int_a)a=_a; 6;class CA int a; virtual void seta( int _a ) a = _a; ;對于同樣繼承順序的CL，內(nèi)存布局是：（圖13）許多C+的實現(xiàn)會共享或者重用從基類繼承來的vfptr。比如，Q并不會有一個額外的vfptr，指向一個專門存放新的虛函數(shù)qvf()的虛函數(shù)表。qvf項只是簡單地追加到P的虛函數(shù)表的末尾（見（圖11）。如此一來，單繼承的代價就不算高昂。一旦一個實例有vfptr了，它就不需要更多的vfptr。新的派生類可以引入更多的虛函數(shù)，這些新的虛函數(shù)只是簡單地在已存在的，”每類一

36、個”的虛函數(shù)表的末尾追加新項。 4.2 多重繼承下的虛函數(shù) 如果從多個有虛函數(shù)的基類繼承，一個實例就有可能包含多個vfptr。考慮如下的R和S類：1 classR 2 public:3intr1; 4virtualvoidpvf();/新建 5virtualvoidrvf();/新建 6;（圖14）struct R int r1; virtual void pvf(); / new virtual void rvf(); / new; 1 classS:public P,public R 2 public:3ints1; 4voidpvf();/覆蓋P:pvf和R:pvf 5voidrvf()

37、;/覆蓋R:rvf 6voidsvf();/新建 7;（圖15）struct S : P, R int s1; void pvf(); / overrides P:pvf and R:pvf void rvf(); / overrides R:rvf void svf(); / new;這里R是另一個包含虛函數(shù)的類。因為S從P和R多重繼承，S的實例內(nèi)嵌P和R的實例，以及S自身的數(shù)據(jù)成員S:s1。注意，在多重繼承下，靠右的基類R，其實例的地址和P與S不同。S:pvf覆蓋了P:pvf()和R:pvf()，S:rvf()覆蓋了R:rvf()。1Ss;S*ps=&s; 2(P*)ps)-pvf();/

38、(*(P*)ps)-P:vfptr0)(S*)(P*)ps) 3(R*)ps)-pvf();/(*(R*)ps)-R:vfptr0)(S*)(R*)ps) 4ps-pvf();/上面的其中一個調(diào)用S:pvf()S s; S* ps = &s;(P*)ps)-pvf(); / (*(P*)ps)-P:vfptr0)(S*)(P*)ps)(R*)ps)-pvf(); / (*(R*)ps)-R:vfptr0)(S*)(R*)ps)ps-pvf(); / one of the above; calls S:pvf()調(diào)用(P*)ps)-pvf()時，先到P的虛函數(shù)表中取出第一項，然后把(P*)ps轉(zhuǎn)

39、化為S*作為this指針傳遞進去；調(diào)用(R*)ps)-pvf()時，先到R的虛函數(shù)表中取出第一項，然后把(R*)ps轉(zhuǎn)化為S*作為this指針傳遞進去因為S:pvf()覆蓋了P:pvf()和R:pvf()，在S的虛函數(shù)表中，相應的項也應該被覆蓋。然而，我們很快注意到，不光可以用P*，還可以用R*來調(diào)用pvf()。問題出現(xiàn)了：R的地址與P和S的地址不同。表達式 (R*)ps與表達式(P*)ps指向類布局中不同的位置。因為函數(shù)S:pvf希望獲得一個S*作為隱藏的this指針參數(shù)，虛函數(shù)必須把R*轉(zhuǎn)化為 S*。因此，在S對R虛函數(shù)表的拷貝中，pvf函數(shù)對應的項，指向的是一個”調(diào)整塊”的地址，該調(diào)整塊

40、使用必要的計算，把R*轉(zhuǎn)換為需要的S*。調(diào)整塊內(nèi)容就是圖15中的”thunk1: this-= sdPR; goto S:pvf”，先根據(jù)P和R在S中的偏移，調(diào)整this為P*，也就是S*，然后跳轉(zhuǎn)到相應的虛函數(shù)處執(zhí)行。（具體詳細說明見后面的4.4調(diào)整塊）在微軟VC+實現(xiàn)中，對于有虛函數(shù)的多重繼承，只有當派生類虛函數(shù)覆蓋了多個基類的虛函數(shù)時，才使用調(diào)整塊。 4.3 地址點與”邏輯this調(diào)整” 考慮下一個虛函數(shù)S:rvf()，該函數(shù)覆蓋了R:rvf()。我們都知道S:rvf()必須有一個隱藏的S*類型的this參數(shù)。但是，因為也可以用R*來調(diào)用rvf()，也就是說，R的rvf虛函數(shù)可能以如下方

41、式被用到：1(R*)ps)-rvf();/(*(R*)ps)-R:vfptr1)(R*)ps)(R*)ps)-rvf(); / (*(R*)ps)-R:vfptr1)(R*)ps)所以，大多數(shù)實現(xiàn)用另一個調(diào)整塊將傳遞給rvf的R*轉(zhuǎn)換為S*。還有一些實現(xiàn)在S的虛函數(shù)表末尾添加一個特別的虛函數(shù)項，該虛函數(shù)項提供方法，從而可以直接調(diào)用ps-rvf()，而不用先轉(zhuǎn)換R*。VC+的實現(xiàn)不是這樣，VC+有意將S:rvf編譯為接受一個指向S中嵌套的R實例，而非指向S實例的指針（我們稱這種行為是”給派生類的指針類型與該虛函數(shù)第一次被引入時接受的指針類型相同”）。所有這些在后臺透明發(fā)生，對成員變量的存取，成員函數(shù)的this指針，都進行”邏輯this調(diào)整”。 當然，在debugger中，必須對這種this調(diào)整進行補償。1ps-rvf();/(R*)ps)-rvf();/S:rvf(R*)ps)ps-rvf(); / (R*)ps)-rvf(); / S:rvf(R*)ps)(注：調(diào)用rvf虛函數(shù)時，直接給入R*作為this指針。)所以，當覆蓋非最左邊的基類的虛函數(shù)時，VC+一般不創(chuàng)建調(diào)整塊，也不增加額外的虛函數(shù)項